Faseroptische Sensoren - EAH-Jena

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FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Faseroptische Sensoren (FOS)
UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
V4-1
Gliederung
Physikalisch - technische Wirkprinzipien, Komponenten, Eigenschaften
und Klassifizierung
Multimoden - FOS: lntensitätsmodulierte und spektral-kodierte Sensoren
Monomode - FOS: lnterferometrische und polarimetrische Sensoren
Verteilte Sensorsysteme und Sensornetzwerke: OTDR - Technik,
Multiplexen, Faser-Bragg-Gitter (FBG)
Anwendungen:
-
Industrielle Prozesskontrolle
Luft- und Raumfahrt
Medizin- Bio- und Umwelttechnik
Energietechnik
Geotechnik/Bauwerksüberwachung
Verkehrstechnik
FACH
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Komponenten faseroptischer
Sensoren (I)
V4-2
Lichtquellen und -detektoren (optoelektron. Bauelemente):
• LED und Laserdioden auf GaAiAs-Basis für den sichtbaren und nahen lRSpektralbereich (z.B. 780 nm-Laserdioden der CD-Technik)
• Miniatur-Glühstrahler als breitbandige Quellen (z.B. Halogen-Lampen)
• spezielle Lichtquellen wie Superlumineszenzdioden (für Fasergyroskope),
durchstimmbare Laser, Laserdioden-gepumpte Faserlaser u.a.
• Si-Photodioden und Dioden-Arrays, CCD-Zeilen u.a. Photodetektoren
FACH
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Sensoren (II)
V4-3
Lichtwellenleiter:
• Multimodenfasern (Stufen- oder Gradientenindex)
• Monomodefasern (normal oder hochdoppelbrechend mit polarisationserhaltenden Eigenschaften)
• Fasern mit speziellen Dotierungen (z.B. Seltene Erden) oder Überzügen
(Metalle, magnetostriktive oder piezoelektrische Materialien u.a.)
• Fasern aus Spezialgläsern (IR-durchlässige Chalkogenid- oder
Fluoridglasfasern, poröse Borosilikatglasfasern u.a.) oder aus optisch
transparenten Polymeren
• Fasern mit hoher numerischer Apertur, mit Mehrfachkern oder spezieller
Kern-bzw. Mantelgeometrie, Faserbündel u.a.
FACH
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Sensoren (III)
V4-4
Miniaturisierte optische Bauelemente und VerbindungsTechniken:
• passive BE wie Koppler/Strahlteiler, Polarisatoren, Filter/Multiplexer, Linsen
u.a.
• aktive BE wie Modulatoren für Intensität, Phase, Polarisation, Frequenz
u.a,
• Faseroptik, integrierte Optik oder Mikrooptik
• Kombination verschiedener Mikrotechnologien und Aufbau- und
Verbindungstechniken
• Mikrosystemtechnik
-
Mikromechanik (z.B. in Si geätzte V-Nuten zur Faserpositionierung
Mikroresonatoren, -membranen u.a. als Sensorelemente)
FACH
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Typen von Lichtleitfasern
Querschnitt
Stufen-Index
Multi-Mode-Faser
V4-5
BrechzahlProfil
Impuls
Eingang
ModenAusbreitung
Kern
Cladding
Gradient-IndexMultimode-Faser
Monomode-Faser
Fundamentales Modenfeld
Evaneszent-Feld Ausläufer
ImpulsAusgang
FACH
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Mikromechanische Si-Komponenten für
faseroptische Sensoren
Sensorelement mit 2 Spiegeln als
faseroptischer Transmissionssensor
Messgröße: Absorption oder Streuung
in Gasen oder Flüssigkeiten
V4-6
Sensorelement mit reflektiver Zunge
als faseroptischer Vibrationssensor
und Beschleunigungssensor
FACH
HOCH
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JENA
Lichtwellenleiter-spezifische
Vorteile faseroptischer Sensoren
V4-7
Einsetzbarkeit in
-
starken elektromagnetischen Feldern,
chemisch aggressiven oder explosiven Umgebungen,
Hochspannungs- oder Kernstrahlungsbereichen,
schwer zugänglichen Bereichen und
bei hohen Temperaturen
Potentialfreiheit, hohe Empfindlichkeit
Möglichkeit der extremen Miniaturisierung und flexiblen Konfektionierung
Integrationsmöglichkeit (Einbettung) von Sensorfaserstrukturen in
Verbundwerkstoffe („Smart Structures“)
Realisierbarkeit von Lichtleiter-Sensornetzwerken und größeren
Entfernungen zwischen Messstellen und Auswerteeinheit („Remote
Sensíng“)
FACH
HOCH
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JENA
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Wichtige Messgrößen
faseroptischer Sensoren
Position, Weg, Verschiebung, Dehnung
Temperatur
Füllstand
Drehrate
Schall
Stromstärke
Magnetfeld
Chemische Zusammensetzung
Druck, Kraft
Geschwindigkeit, Durchfluss
Beschleunigung, Vibration
Kernstrahlung
elektrische Felder, Spannung
biochemische Parameter
and andere
V4-8
FACH
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Prinzipien der Signalkodierung in
faseroptischen Sensoren
V4-9
Direkte oder indirekte Modulation des Lichtes
E x,y (z,t) = A cos (ωt - kz+δ)
durch die zu messende Größe:
- Intensität A (Amplitude)
- Wellenlänge λ (spektrale Verteilung), λ = c 2π / ω
- Phase δ (optische oder Phase eines Modulationsträgers)
- Polarisation Ex/Ey (oder differentielle Phase)
- Zeitabhängigkeit von Frequenz ω(t), Pulsdauer, Abklingzeit
Zuleitungsfaser
Lichtquelle
Po
Zuleitungsfaser
Sensitives
Element
(Transducer)
P(x)
Opto-elektronischer
Nachweis
S(x)
Stromversorgung
Messgröße X
Elektronische
Signalverarbeitung
FACH
HOCH
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Klassifizierung
V4-10
1. Signalverarbeitungseinheit
⇔ 2. Signaltransport über optische Faser
⇔
3. Punktueller oder verteilter Sensor
1.
2.
a) Extrinsischer Fasersensor – Lichtparameter ist
außerhalb der optischen Faser moduliert
b) Intrinsischer Fasersensor – Lichtparameter ist
innerhalb der optischen Faser moduliert
c) Hybrid-Fasersensor – elektrisches Sensorprinzip,
faseroptische Signalübertragung
3.
FACH
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Faseroptische SensorKonfigurationen
Einzelpunkt-Sensor
Optische Faser
Mehrere (quasi-verteilte) Punktsensoren
Verteilter Sensor
V4-11
Sensorelement
Mehrere Sensorpunkte
Kontinuierliches faseroptisches Sensorelement
FACH
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LWL-Sensoren: Konzepte der SignalKodierung und -Verarbeitung
V4-12
Intensitätsmodulierte Sensoren
- Low-Cost und einfache technische Lösungen
- Niedrige Genauigkeit und Stabilität (Einfluss von Lichtquellen-Intensität,
Faserverluste, ..)
- Referenzkanal notwendig (2 Wellenlängen, spektrale Lichtmessung, ...)
- Anwendungen in der Automation & Steuerung (Ein-Aus-Sensoren), Medizin

Phasenmodulierte interferometrische Sensoren
- Hochempfindliche, aber teuer und anspruchsvolle technische Lösungen
(z.B. Faserkreisel)
- Querempfindlichkeiten (Temperatur, ...)
- Anwendungen in der Präzisionsmessung, Militär (LWL Hydrophone),
seismische Messungen

Spektral kodierte Sensoren
- Potenzial für kosteneffiziente technische Hochleistungssensoren (Bragg-GitterSensorsysteme, bio-chemische Sensoren) mit optoelektronischer Signalverarbeitung (Mini-Spektrometer)
- Langzeitstabilität, Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit
- Austauschbarkeit (Kalibrierung durch absolut definierte Wellenlänge)
- Anwendungen in der industriellen Prozesskontrolle, Umwelt und
Strukturüberwachung, Bio-Medizin
FACH
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Häufig verwendete Messeffekte
V4-13
Extrinsische Multimode-Lichtleitfasersensoren:
Reflexion am Faserende (bewegliche Spiegel, reflektierende Membranen, u.a.)
Übertragung zwischen zwei Fasern (bewegbare Masken, Streuung von Teilchen, u.a.
Photolumineszenz (Temperaturabhängigkeit der spektralen Intensitätsverteilung)
Eigenmultimode -Lichtleitersensoren:
Mikrobiegung; Makro-Biegung
Streuung, Absorption und Fluoreszenz in speziell dotierten Fasern
Streuung und Absorption an Materialfehlern (Kernstrahlung, UV-Strahlung)
Interferometrische faseroptische Sensoren:
Längenänderungen: Thermische Belastung, Stress, Magnetostriktion, Elektrostriktion
Brechungsindexänderungen: Thermo-optischer Effekt, photo-elastischer Effekt;
magneto-optische und elektro-optische Effekte
Polarimetrische faseroptische Sensoren:
Einfluss auf Doppelbrechung: mechanisch induzierte Doppelbrechung (elastooptischer Effekt),
Faraday-Effekt (magneto-optischer Effekt, elektrischer Stromsensor)
Pockels-Effekt (elektro-optischer Effekt, Sensoren für elektrisches Feld & Spannung)
Weitere wichtige Effekte:
Relativistischer Sagnac-Effekt (Rotationssensor - Gyroskop)
Nicht-lineare Streuprozesse: Raman- u. Brillouin-Streuung, verteilte Temp. & Dehnung
FACH
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Potentielle Anwendungsgebiete
• Prozess- und Verfahrenstechnik
• Luft- und Raumfahrttechnik
• Medizintechnik
• Energietechnik
• Sicherheitstechnik
• Automobilbau
• Umweltmesstechnik
• Biotechnologie
• Geophysik
V4-14
FACH
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JENA
Einsatzbeispiele faseroptischer
Sensoren (I)
V4-15
Industrielle Prozesskontrolle und Fertigungstechnik
• Faseroptische Lichtschranken, Positions- und Näherungssensoren in der
Automatisierungstechnik. Besondere Vorteile sind Flexibilität,geringer
Platzbedarf, störsichere Datenübertragung, passive Vernetzbarkeit.
• Füllstands-, Druck-, Durchfluss-, Trübungs-, Feuchte- und refraktometrische
Sensoren in der chemischen Industrie u.a. Bereichen.
• Interferometrische Weg- bzw. Dehnungssensoren in der Präzisionsfertigung
Luft- und Raumfahrt-Technik
• Faserkreisel für Navigations- und Lagestabilisierungssysteme (erfolgreiche
Tests in Flugzeugen und Weltraumraketen)
• Erprobung verschiedener faseroptischer Sensoren (z.B. Drucküberwachung
in Triebwerken, in Lichtleiterkontrollsystemen für Flugzeuge, Hubschrauber,
z.B. im Rahmen vom “Fly by Light"-Entwicklungsprogramm
FACH
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Sensoren (II)
V4-16
•Medizintechnik
• Serienproduktion von faseroptischen Blutgas- sowie Hirn~ bzw HerzdruckSensoren in den USA seit 1990 (Stückzahlen von mehr als 100.000/Jahr),
• Einsatz faseroptischer Temperatursensoren in der Diathermie, Hyperthermie
und Kernspintomografie wegen ihrer Unempfindlichkeit gegenüber starken
elektromagnetischen Feldern
• Tests faseroptischer Glukose- und Harnstoffsensoren (weitere chemische
und biochemische „Optroden" für medizinische Anwendungen befinden sich
im Forschungsstadium)
• Entwicklung implantierbarer faseroptischer Strahlungsdosimeter für die
Radiologie im Rahmen von BMFT-Projekten (KFA Jülich u.a.)
FACH
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Sensoren (III)
V4-17
Energietechnik
• Feldtest faseroptischer Strom- und Spannungssensoren (Faraday-Effekt
bzw. Pockels-Effekt) in Hochspannungsanlagen.
• Einsatz verteilter faseroptischer Temperatursensoren in Starkstromkabeln,
Erdöl- und Erdgaspipelines, Großtrafos, Kernkraftwerken, Gebäuden u.a.
• Erprobung faseroptischer Vibrations- und Temperatursensoren in
Hochspannungs-Generatoren (Fa. ABB u.a.)
• Integration verteilter faseroptischer Dehnungssensoren in Hochspannungsund anderen Kabeln (in Entwicklung, z.B. NTT)
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Sensoren (IV)
V4-18
Sicherheitstechnik
• Überwachung von Großbauwerken wie Kraftwerksanlagen. Brücken,
Tunnel, Staudämme u.a. mit verteilten faseroptischen Belastungs-, Vibrationsoder Rissdetektoren (z.B. wurden bereits 1987 in einer Düsseldorfer
Autobahnbrücke faseroptische Dehnungssensoren auf der Basis speziell
ummantelter Lichtleiter durch die Firmen Strabag und Felten-Guilleaume
installiert)
• Entwicklung komplexer faseroptischer Überwachungssysteme auf
Bohrinseln, in Bergwerken (z.B. Methangas-Detektion), Kernkraftwerken (z.B.
ortsauflösende Kernstrahlungs-Dosimetrie), in Chemieanlagen und anderen
explosionsgefährdeten Bereichen
• Aktivitäten zur Einbettung von Lichtleitfasern als Sensoren in VerbundWerkstoffe für Flugzeug- und Schiffbau, Bauindustrie. (z.B. Fa. SICOM Köln)
und andere Bereiche.
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Sensoren (V)
V4-19
Weitere Einsatzfelder
• Darüber hinaus finden insbesondere chemische und biochemische
Fasersensoren künftig auch in der Umweltmesstechnik (Fernmessung von
Schadstoffkonzentrationen in der Luft und im Wasser) sowie in der
Biotechnologie Anwendung.
• Auch in der Geophysik zeichnen sich interessante Einsatzmöglichkeiten ab
(z.B. verteilte faseroptische Seismometer oder Bohrlochsensoren).
• Ein weiteres attraktives Anwendungsgebiet der Fasersensorik könnte künftig
auch der Automobilbau (z.B. Faserkreisel u.a.) werden. Mit der in den
nächsten Jahren zu erwartenden Einführung des Lichtleiter-Datenbus im
Fahrzeug wird sich auch ein Bedarf an kompatiblen Sensoren ergeben,
allerdings dürften hier vor allem die Anforderungen bezüglich eines niedrigen
Preises besonders hart sein.
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•
Optical Fibre Sensor Systems
and their Application
Intensity-modulated optical fibre sensors
V4-20
FACH
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Principle of Reflective
Displacement Sensor
a)
1 fibre + fibre coupler
Source, I0
b)
L
Characteristics
depend on
I(L) ~ I0· [ Rf/(Rf + L·NA) ]²
0.8
- Numerical Aperture
- fibre radius
- fibre distance
NA=0.15
0.6
0.4
NA=0.25
0.2
0
2 parallel fibres
Detector, I(L)
2Rf
L
1
V4-21
0
2
4
L/Rf
6
8
10
0
2.5
L/mm
5
FACH
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JENA
Example of an Intensity Sensor:
Diaphragm Pressure Sensor
V4-22
Pressure, displacement, etc.
Curves A, B, C:
A: step index
B: graded index
C: 2 fibres
FACH
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Application: Medical In-vivo
Brain Pressure Sensor
V4-23
Fa. Camino/USA
FACH
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Fibre Optic Medical In-vivo
Brain Pressure Sensing
Fa. Camino/USA
V4-24
FACH
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Heart Pressure Sensing
V4-25
Fa. Camino/USA
FACH
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Example: Fibre Optic
Blood Gas Sensor
V4-26
Figure below shows the structure of an invasive catheter
for simultaneous measurement of pH, p(02) and p(C02) in the blood vessels
on the basis of fluorescence or absorption changes
in suitably sensitive chemical indicator materials.
These indicator materials may be applied to the light guide end face,
and are surrounded by a permeable membrane:
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Blood Oxygen Sensing
V4-27
FACH
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Principle of Fibre Optic
Micro-Bending Sensor
V4-28
Optical transmission losses (leaky modes) caused by periodic fibre bending
Interference of core modes and cladding modes:
Core modes (e.g., neff = nc) ⇒ Cladding modes (e.g., neff = ncl)
Max. sensitivity (losses) at optimal bending period Lopt :
( Lopt ) -1 = ( λ / nc ) -1 – ( λ / ncl ) -1
Lopt
Example:
nc = 1,460
ncl = 1,459
mechanical transducer
Cladding, ncl
Core, nc
λ = 0,8 μm
Lopt = 0,8 mm
FACH
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Technical Fibre Optic
Micro-Bending Sensors
force, pressure
V4-29
Metal wire coiled on optical glass fibre
with optimal bending period
→ distributed intrusion detectors
(Felten & Guilleaume; Herga)
strain
"Optical Strand" strain sensor
(OSMOS DEHA-COM)
FACH
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Application of Micro-Bending Sensors:
Structure Monitoring in Civil Engineering
V4-30
Network of 56 "Optical Strand" fibre optic micro-bending strain sensors for
structure health monitoring of soccer stadium "Stade de France"
in St. Denis/Paris (OSMOS DEHA-COM GmbH Cologne)
FACH
HOCH
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JENA
•
Thin-film Fabry-Perot based extrinsic fibre sensors
V4-31
FACH
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Extrinsic Spectrally-Encoded FOS
Using Thin-Film Fabry-Perot Transducers
Grating
I0
d, n
LWL
LED
IR
nH
CCD line
detector
IT
Partially reflecting mirrors
Polychromator
IR
λ
Λmin~ d, n
1 mm
Free Spectral Range > LED spectral width !
V4-32
Fabry-Perot probe
nLow
FACH
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Porous Transducer Layers on
Fibre End-Face: Humidity Sensor
Nano-porous thin-film transducer
V4-33
Reflection spectra
H2O vapour
H20 filled pores
Dry pores
Reflectivity
1,0
Optical fibre
∅ ≈ 200 µm
0,5
0,0
600
Wavelength [nm]
812
700
800
900
Wavelength [nm]
1000
Sensor characteristic
802
792
-90
-60
-30
0
Dew point [°C]
30
FACH
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Fibre Optic Humidity Sensor:
Applications
V4-34
•
On-line measurement of residual humidity in gases (natural gas, purified
gases) and in organic liquids
•
Measuring range
Dew Point TDP = - 80 °C…+20 °C
= partial pressure p(H2O) = 10-2…103 Pa
Hygrometer (BARTEC GmbH)
Natural gas drying station
(German Verbundnetz Gas AG)
Sensor
FOS - 34
FACH
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T-sensitive Transducer Layers:
Temperature Sensor
V4-35
• Measuring range: T = -196 °C .. +600 °C (laser micro-welded mounting)
• Resolution:
0,2 %
• Application: gas industry, explosive media,
high-voltage, high-frequency & micro-wave facilities
Typical sensor characteristic
Sensor sample
Wavelength [nm]
850
840
830
820
810
800
790
-100 0
100 200 300 400 500 600
Temperature [°C]
1 cm
FACH
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Silicon Micro-Membrane Cavity on
Fibre End-Face: Pressure Sensor
V4-36
• Measuring ranges: p = 0…1,5 bar…15 bar…50 bar…150 bar
• Resolution:
0,5%
• Application: Gas industry, engines, medical engineering, ..
Sensor sample: Membrane array fabricated on Si wafer
Typical sensor characteristics
Membrane bending [nm]
800
600
400
0..1.5 Bar
0..15 Bar
Anodically bonded sensor element:
Measuring range
limited by width of
LED spectrum
Etched silicon membrane
0..50 Bar
Glass substrate
200
0
0
0..150 Bar
10
20
30
40
Pressure [Bar]
50
60
Capillary,
fibre inside
FACH
HOCH
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JENA
• Spectrally encoded sensors
V4-37
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Photoluminescence
Temperature Sensor
Operation principle:
Temperature dependence
of the spectral intensity
distribution of the
photoluminescence of a
GaAlAs crystal
Measuring principle:
2-wavelength method
(lead neutrality !)
Scheme: Fa. Asea
V4-38
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Black Body Radiation
High-Temperature Sensor
Sensor element
Sapphire fibre Collimator Beam splitter Filter PD
V4-39
Division
λ1
λ2
λ2
Al2O3
Protective
Layer
Iridium
Black
Body
λ1
Radiation characteristic:
Eλ δλ=C1/λ5 ·[exp(C2/λT)-1]-1 δλ
C1 = 1,17 W·m²/s
C2 = 0,144 K·m
Sensor signal processing:
T ~ I(λ1)/I(λ2)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
UV Fibre Evanescent Field Absorption
Spectroscopy (EFAS) Sensors
V4-40
In-situ monitoring of organic pollution (BTEX, PAK) in water, soil or in
atmosphere using sensitive (permeable) optical polymer fibre cladding
Cladding
Analyte (air, water)
Transmissivity
1,0
0,8
Xylene
Toluene
Benzene
0,6
0,4
250
300 350 400
Wavelength [nm]
BTEX detection limits in air
Substance
Petrol
Naphta
0,2
BTEX (Benzene, Toluene, Ethylbenzene, Xylene)
spectra in water
450
Detection limit
(ml/m3)
Max. allowed
concentration
Benzene
3
1
Toluene
10
50
Xylene
10
100
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
•
•
•
UV-EFAS Fibre Optic
Hydrocarbon Pollution Sensor
V4-41
Sensor fibre: ∅ 200 µm silica core / 20 µm thick PDMS cladding (length 1
m)
Light source: Xenon flash lamp
Spectrometer: MMS (Carl Zeiss), UV MINOS (IPHT)
Test instrumentation
for soil monitoring:
Scheme:
Sensor fibre
Sensor probe
Fibre cables
UV-Spectrometer
Control unit
Battery
UV lamp
Power supply
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Fibre Optic UV Absorption Sensing of
BTEX Pollution in Water:Long-Time Field
Test in Groundwater Remediation Facility
1,0
Transmission
0,8
Benzene
Toluene
Xylene
Gasoline
Diesel oil
0,6
0,4
0,2
0,0
250
300
350
400
Wavelength [nm]
450
Partner:
DBI Gas- und
Umwelttechnik
GmbH Leipzig
Fibre coil
V4-42
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Fibre Optic Hydrocarbon Sensors:
Application
Calibration of UV spectral sensor using
standard BTEX test liquid:
50% Benzene, 30% Toluene,
5% Ethylbenzene, 15% Xylene,
diluted per 1 l water:
Wavelength [nm]
V4-43
Application (example):
In-situ filter process control
in a groundwater remediation
facility (Lauchhammer/Saxonia)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Spectral In-situ Nutrient Analysis in
Inland and Sea Water
V4-44
Analytes ranges
Analytical methods
Measurement
Nitrate
o-Phosphate
Ammonium
UV spectrophotometer
FIA with fluorescence detection
FIA with fluorescence detection
0,5 – 150 µmol/l NO30,05 –5 µmol/l PO430,1 – 20 µmol/l NH4+
Sea-test on board of the ferry „Duchess of Scandinavia“ :
Measurement of Nitrate concentration profile in the North Sea
500
3
NO -N [µg/l]
400
Ferry route
Harwich (GB)-Cuxhaven (D)
E lb e
e s tu a r y
H a r w ic h
h a rb o u r
300
200
100
0
0
2
4
6
8
12
14
16
18
J o u r n e y tim e [h ]
Measuring data: Institute for Costal Research, GKSS, 01.06/02.06.2006
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
•
Single mode fibre sensors - interferometric sensors
V4-45
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Principle of Michelson
Interferometer
V4-46
Reflector
Linearly
polarised
laser mode
Beam
splitting
When does interference
take place?
Laser
Beam
combining Beam splitter
L0
·2
Δφ = (4π/λ0)·(nΔL+LΔn)
Photo
detector
Reflector
• Coherence, i.e., defined
phase relations: Path
difference ΔL < coherence
length Lc ~ λ02/δλ (δλ –
spectral width)
• Equal states of polarisation
(superposition of electric field
vectors !)
• Almost equal wavelengths
(frequency difference occurs
as intensity modulation
frequency !)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
•
•
Michelson
- 2-beam interference
- reflection type
Mach-Zehnder
- 2-beam interference
- transmission type
Types of Fibre Optic
Interferometers
Laser
V4-47
Mirror
Coupler
Parameter X
Detector
Mirror
Transducer
X=f (L,n)
Laser
Coupler
Coupler
Parameter X
Detector
Detector
Transducer
X=f (L,n)
•
Fabry-Perot
- multiple-beam interference
- resonator type
Partial Mirror
Laser
Coupler
Mirror
Transducer
X=f (L,n)
Detector
•
Sagnac
- ring interferometer
- counter-propagating beams
- relativistic effect
- rotation sensor (fibre gyro)
Laser
Parameter X
Coupler
Fibre coil
Detector
Parameter: Rotation
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Application of Fibre Optic
Interferometers
Sensor types:
• seismic sensors, strain-wave measurement
• hydrophones and hydrophone arrays, microphones
• Atomic Force Microscopes (AFM)
• rotation sensors (gyroscopes)
• magnetic field sensors
• electric current sensors (polarization-mode interferometry)
• interferometric strain sensors (extensometers)
• laser wavelength stabilisation
Examples:
• high temperature sensor (Fabry-Perot interferometer)
• seismometer for deep bore-holes (Michelson interferometer)
• rotation sensor / gyroscope (Sagnac interferometer)
V4-48
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Deep Borehole Fibre Optic
Seismometer
from DFB laser
Technical parameters of
interferometric sensor system:
max. operational temperature 300 °C
Fibre lead length
>10 km
Path length resolution
< 10 pm/√Hz
Frequency range
0.1 .. 30 Hz
Measuring range
± 1mm
Laser wavelength
1309 nm
Dimensions
∅
65 mm
length
215 mm
to photo detector
Polyimide coated
single mode
optical fibre
Single mode fibre-optic
coupler 50:50
(Hochtempera
(IPHT
high temperature
aus de
version)
Splice
Collimator
f = 6.3 mm
Fibre end-face,
8° angled
Frame
90° prism
Reflektor ø
Reflector
sphere
Damper
Seismische
Seismic
Masse
mass
Technical parameters of
seismic sensor:
3 components in 54° geometry
max. operational temperature 260°C
Eigen resonance
2.5Hz
Attenuation
0.5
V4-49
Hebelarm
Cantilever
Pivot
54.7°
High
temperature
Hochtemperaturspring
Feder
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Scheme of Fibre Optic
3-Axes Seismic Sensor System
Monochromatic interferometry using wavelength modulation:
V4-50
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Seismic Deep Borehole Sensor
System - Photograph
3 axes in 54° geometry
V4-51
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Seismic Sensing:
Measurement Example
Measurement of Iran earthquake May 10, 1997 (Mb = 7.1)
seismic measuring station Moxa/Germany
Seismic movement [µm/s]
Time [08:04 GMT + sec]
V4-52
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Fibre Optic Hydrophone
(Michelson-Interferometer)
Naval Research Laboratory, Washington DC, USA
V4-53
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Extrinsic Fibre Optic
Fabry-Perot Interferometer
Measurand:
Width of air gap, which changes with strain and/or temperature
V4-54
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Fibre Optic Temperature Sensor
(Fabry-Perot Interferometer)
V4-55
Basic scheme, example of temperature sensor for high temperatures ≥2000 °C:
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Fibre Optic Sagnac Interferometer
Gyroscope (Principle)
V4-56
δϕs = 8πAN Ω / (λc)
A – Area of fibre coil
N – Number of fibre windings
Ω – Angular velocity
c – Light velocity
Example:
N = 800, R =10 cm (L = 500 m)
λ = 0,8 μm, Ω =1°/h
δϕs = 13 μrad
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Block Scheme of
Fibre Optic Gyroscope
V4-57
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Parameters of Fibre Optic Gyro
Teldix MKF4 (1993)
Bias stability
< 1 °/h
Noise
< 10 °/h/√Hz
Range
± 200 °/s
Scale factor error
< 400 ppm
Dimensions
100x70x80 mm³
Operational temperature
-30..70 °C
V4-58
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Time Scale of Development of
Fibre Optic Gyroscopes
V4-59
1975
First publication
1985
1995
2005
Lab proto @ 0.01 º/hr
First commercial applications
(Boeing 777)
Broader Applications:
(Subsea, automotive, etc)
Photo: KVH Industries
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Polarimetric Current Sensor
(Magneto-Optical Effect)
Magneto-optic effect Δn(B):
Δn = V · λ/2π · B
B - magnetic induction
V - Verdet constant
V(SiO2, 633 nm) = 3,67 rad/T/m
λ - light wavelength
Δn – change of refractive index
V4-60
Rotation angle α of input polarisation:
α =V ⋅
Input
polarisation
∫ B ⋅ ds = V ⋅ N ⋅ I
pathlength
V = 4.68·10-6 rad/A
at λ = 633 nm
N – number of
fibre turns
Output polarisation,
rotated by angle α
Fibre: optical medium
with Verdet constant V
Conductor with current I
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
V4-61
• Distributed Raman & Brillouin / OTDR fibre sensor systems
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
•
•
Distributed Fibre Optic
Sensor Systems
V4-62
Principle: Optical Time Domain Reflectometry (OTDR)
Useable optical scattering processes:
– RAMAN scattering R(T)=Ia/Is=(λs/λa)4 exp(-hν/kT) → temperature
– BRILLOUIN scattering νB=2 n vA/λ → temperature, strain
Rayleigh scattering
Scattering spectra of Ge-doped silica fibre:
(schematically)
≈
Brillouin scattering
Raman scattering
(Antistokes)
Raman scattering
(Stokes)
≈
≈
ΔλR≈40nm
(≈13THz)
νB≈12GHz
λ
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Local Resolution of
OTDR Technique
Local resolution: ΔL = c Δt/2n
V4-63
ΔL = 1m → Δt = 10ns
c = vacuum light velocity, n = 1.5 (silica refractive index)
ΔL
Δt
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Distributed Fibre Optic RAMAN
Temperature Sensor Systems
Scheme:
V4-64
Applications:
¾ Geotechnical & Environmental Monitoring
(GESO GmbH Jena)
• Leakage detection of pipelines, gas storages
• Dams, boreholes, dumps, ...
¾ Health Monitoring Civil Engineering / Energy
(LIOS GmbH Cologne)
• Fire detection in tunnels (Siemens Cerberus)
• Offshore platforms, pipelines (NKT Denmark)
• Electric power cables (Felten & Guilleaume)
Power cables with integrated fibre:
Temperature distribution (hot-spot detection)
Technical parameters (typical values)
• Measurement range: 4…10 km (up to 30 km)
• Local resolution: 1 m (0.3 .. 5 m)
• T-range: -100…+120 (600) °C, resolution ±0.3 .. 3 °C
• Meas. time: about 10 s (for 4 km and ±1 °C)
Leakage detection pipeline (GESO)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
• Fibre Bragg Grating (FBG) multiplexed sensor networks
V4-65
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Fibre Bragg Grating (FBG)
Sensor and Multiplexing Principle
V4-66
Fibre Bragg grating: periodic refractive index structure inscribed in fiber core
by illumination with UV laser interference pattern
FBG sensor systems: strain, temperature,…(Wavelength Division Multiplexing)
Λ1
Grating period Λ ≈ 0.3 µm
Bragg wavelength λB = 2·Λ⋅neff
Λ2
Sensor 1 ..
.. Sensor 2
..
16
Measurands:
e.g., temperature T, strain ε, hydrogen c(H2)
Broad-band
input light SLD
800..850nm
Reflected light to
polychromator
λB1
λB2
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Fabrication:
Draw Tower Technology
V4-67
Talbot-Interferometer
Preform material doped
for high photo-sensitivity
Beam splitter
Spectrum
Sensor specific coating
(Ormocer, Polyimide ... )
of sensor
array:
Reflectivity [%]
UV Excimer laser
single-pulse shots
20
10
0
810
6% tensile strength ⇒ long term reliability
830
850
870
Wavelength [nm]
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Sensor System
(Schematically)
Light
source
Spectrometer
V4-68
Fibre Bragg grating array – wavelength multiplexing
I(λ)
R(λ)
λB1
T
R
Bragg wavelength:
λB = f (T,ε)
Signal
processing
λ
B
Temperature sensor:
ΔT=1 K →
λBn
λB2
ε
Δλ ~ 10 pm
λ
λ
B
Strain sensor:
ε=ΔL/L=10-6 →
Δλ ~ 1 pm
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Sensor System:
Basic Configuration
V4-69
• Broadband light source 800 .. 850nm (LED, SLD)
• Polychromator: imaging diffractive grating & CCD detector
• High performance & low-cost potential, higher WDM capacity than @ 1550nm
Broadband light source
Superluminescence diode SLD
Fibre optic
beam splitter
Source
spectrum
820
840
860
880
Wavelength [nm]
Fibre Connector
(switch)
FBG2
Reference
wavelength
CCD array
FBG1
Reflection spectrum
of sensor network
FBG3
FBG4
FBG5
Spectrum analyser
Polychromator
825 830 835 840 845 850
Wavelength [nm]
Sensor array attached
to measuring object
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Sensor System (IPHT Jena)
V4-70
Fibre optic connectors
to sensor lines
Ethernet
805..860 nm SLD broad-band
light source
PC
Sensor 1..
Polychromator
Compact, robust, fast FBG sensor system:
• CCD processing with ADSP SHARC
• SLD illumination control
• 32 sensors, 5000 meas./s
• All FBG sensors are sampled simultaneously
• Gauss correlation, Kalman filter
• Strain 1σ repeatability 0.2 με
Sensor
200×130
9V/0.5A
..16
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Application Examples of
Fibre Optic Sensors (I)
V4-71
Industrial process control and manufacturing technology
• Fibre optic photoelectric sensors, position and proximity sensors in automation
technology: Flexibility, small footprint, noise-free data transmission
• Liquid level, pressure, flow, turbidity, humidity and refractometric sensors in
chemical industry
• Interferometric displacement or strain sensors in precision manufacturing
Aeronautics and Astronautics
• Fibre optic gyroscope for navigation and attitude stabilisation systems
• Various fibre optic sensors (e.g., pressure monitoring in engines) in optical fibre
control systems for aircrafts, helicopters ("Fly by light" development programs)
Medical
• Series production of fibre optic blood gas &
• Brain and heart pressure sensors in the U.S. since 1990 (> 100,000 per year)
FOS - 71
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Application Examples of
Fibre Optic Sensors (II)
V4-72
Energy Technology
• Fibre optic current and voltage sensors (Faraday effect, Pockels effect) in highvoltage equipment, generators, transformers, switchgear
• Optical fibre vibration and temperature sensors in high-voltage generators
• Distributed fibre optic temperature sensors in power cables, oil and gas pipelines,
large transformers, nuclear power plants, buildings
• Distributed fibre optic strain sensors in high voltage cables
Safety Technology
• Distributed fibre optic strain monitoring of large structures such as power plants,
bridges, tunnels, dams
• Complex fibre optic monitoring systems on oil rigs, mines (e.g., methane gas
detection), nuclear power plants (e.g., radiation dosimetry), chemical plants
• Embedding of optical fibres as strain sensors in composite materials for aircraft
construction and shipbuilding.
Other Fields
• Environmental monitoring, biotechnology, chemical and biochemical fibre sensors,
e.g., remote measurement of pollutant concentrations in air and water.
• Geophysics, geo-technique: down-hole fibre optic seismometers.
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Sensor Systems: Applications
in Structural Health Monitoring
•
Energy
– Generators, gas turbines (Siemens)
– Wind turbines (Jenoptik, Enercon)
•
Aviation
– Airbus (DaimlerChrysler, EADS)
– Glider (Akaflieg)
– AirCrane CL-75 prototype (Kayser-Threde, Cargolifter)
•
Space
– NASA X-38 prototype CRV for ISS (Kayser-Threde,NASA)
– ESA hydrogen tank monitoring (Kayser-Threde, TU Munich)
•
Transportation
– Train pantograph/contact line interface (Siemens, SNCF Paris, ..)
– Contact line inspection gate (Siemens, Furrer+Frey Bern, BLS Bern, ..)
– Monolithic rigid rail (BAM, Deutsche Bahn)
•
Geotechnical & Civil Engineering
– Rock-bolts (Ruhrkohle AG, GESO)
– Tie bars (GESO, GFZ Potsdam)
V4-73
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
CFRP with Embedded Fibre
Optic Strain Sensors
V4-74
A vision is becoming reality:
Smart Structures with integrated “nervous system”
Laminated carbon fibre reinforced polymer (CFRP) composite material
containing embedded sensing optical glass fibre (Bragg grating array)
Photo:
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Application of Fibre Bragg Grating
Sensor Systems: Power Generators
V4-75
FBG sensor arrays for measurement of temperature and strain vibrations in electrical
power generators (at critical points of stator winding)
Strain vibrations start
at short circuit impact
4 FBG vibration
sensor positions
FBG
temperature
sensors
Partner: Siemens AG
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Sensor Systems: Aircrafts
V4-76
CFRP aircraft wing fatigue test: 1 year complete lifetime simulation
Strain [µm/m]
20 FBG strain sensors over full test: strain results correspond to resistive strain gauges
-800 -1000 -
FEM model
RSG
FBG
-1200 -1400 0
50 100 150 200 250
Sensor position
Surface mounted
RSGs with heavy weight
resistive strain gages
electrical cables
(RSG) and FBG sensors
Partner:
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Sensor Systems: AirCrane CL-75
V4-77
Intensity [a.u.]
Lightning protected temperature sensor network
¾ 20 helium gas temperature sensors distributed in two 60m long FBG arrays
( CargoLifter CL-75 AirCrane prototype )
0,8
0,6
0,4
0,2
815 820 825 830 835 840 845 850
Wavelength [nm]
Instrumentation
platform:
Network spectrum:
10 sensors +
reference wavelength
Helium gas temperature
accuracy: δT < ± 0.1 K
Partner:
Kayser-Threde GmbH
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Sensor Systems: Spacecrafts
V4-78
Strain & temperature sensor network: 4 arrays (sensor pads) with 12 sensors
•
Health monitoring NASA X-38 CRV prototype for ISS
FBG sensor pad
(2 orthogonal strain
& 1 temp. sensor)
Wavelength [nm]
SPU box
(NASA
standard)
Partners: IPHT & Kayser-Threde, NASA
849
848
847
846
845
844
838
-0.36nm=-560µε
elongated sensor
compressed sensor
temperature sensor
test measurement
1.27nm =2000µε
0
5
10 15 20
Time [min]
25
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Sensor Systems: Wind Turbines
V4-79
Strain monitoring in a blade of wind turbine E112:
capacity 4.5 MW, blade length 53 m
6 FBG strain sensor pads inside of blade (push-pull positions):
FBG-SPU
WLAN
FBG strain sensor pads
length 400 mm
Partners: Enercon
Jenoptik
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Sensor Systems: Railways
V4-80
Test measurements for power distribution
management:
Temperature sensor arrays at overhead contact lines (OCL)
(Partners: Siemens & IPHT)
Test measurements in novel concrete /
bitumen slab rail track systems:
Strain sensor arrays embedded in concrete
(Partners: BAM & IPHT, W. Habel et al. SSM-2002)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Sensor Systems: Train Systems
V4-81
FBG sensors monitoring railway interface
Pantograph / Overhead Contact Line (OCL)
Current Collector
Defect at OCL
Force [N]
600
400
10 ms
200
Driving direction
Vertical direction
0
0,1
Embedded FBG sensors
monitoring
strain and temperature
125 Hz
Impact force measurements using
0,2
0,3 "Smart Current Collector"
Time [s]
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Sensor Systems: Civil Engineering
Steel rock-bolt with inclined
sensors for measurement of
high strain:
Rock bolt test
facility of
Ruhrkohle AG
..20% strain
compressed
neutral
stressed FBG
(19°)
(28°)
(40°)
..500kN
tensile force
Partners:
GESO Jena
Ruhrkohle AG
V4-82
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Sensing at
Extreme Temperatures
V4-83
Stellarator ring
Strain & displacement sensing in
superconducting magnets at 4 .. 10 K
Nuclear fusion reactor project
(partner: MPI Plasma Physics)
Gas turbines
Flow & temperature sensing
up to 1800 K
EU project HEATTOP 2006-2009
(partners: Siemens, RollsRoyce,...)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Evanescent-Field Chemical
Sensing: Refractometer
V4-84
Refractometer Bragg wavelength shift:
Analyte
Evanescent field
Side-polished
optical fibre
embedded in
silica block
Optional transducer layers
Analyte nA
ΔλB = 2·Δneff(nA)·Λ
coating
Sensor FBG
839,0
Λ
Refractometric process control
of petrol products:
Bragg Wavelength [nm]
Temp. reference FBG
838,8
838,6
838,4
838,2
838,0
837,8
1,30
nA
1,35
H2O
1,40
Ethanol
26%NaCl/H2O
OZ91
OZ98
1,45
DAO
LMO
SPO
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Chemical and Bio-Sensing
V4-85
evanescent
field
transducer layer(s)
(optional)
analyte n A
(gas or fluid)
single mode fiber
(side-polished)
silica block
T-reference (FBG)
coating
sensor FBG (grating period Λ )
Process control of petrol products
Bragg wavelength [nm]
Bragg wavelength shift:
838,23
TE polarization
838,22
TM polarization
838,21
S4
838,20
S1
838,19
1,40
1,41
S2
S3
1,42
1,43
1,44
1,45
analyte refractive index nA
Sensitive thin-film overlays:
2%
828,00
2%
Hydrogen
concentration
in Argon gas
827,96
1%
827,92
1%
0%
0
40
80
time [min]
SPR biochemical sensing (Au 30nm)
H2 gas detection (Pd-film 200nm)
831,70
831,60
TE
831,50
TM
831,40
1,40
120
Partner: IREE Praha
1,42
1,44
1,46
analyte refractive index nA
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
• Outlook:
- Biochemical sensing based on nano-fibres and
- Fibre sensor market development
V4-86
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Fibre Optic Chemical and Bio-Sensor
Concepts Based on Functionalised
Micro/Nano-Structures
V4-87
Micro-structured optical fibres:
PCF
preform
Photonic crystal fibres
Hollow core fibres
Optical fibre taper
2.8 µm
¾ Miniaturised instruments for the analysis of
cells and other microstructures
¾ Enhanced evanescent field interactions
Nano wires
Integration of wave guiding and capillary
structures → long interaction length
¾ Enhanced analytic sensitivity at small
sample volumes (gases and liquids)
¾ Efficient light-matter interactions
(absorption, fluorescence, Raman/SERS)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Photonic Crystal Fibre (PCF)
Chemical Sensing
V4-88
Increased Evanescent Field Absorption in PCF compared to Silica Fibres
a) Standard silica fibre
permeable polymer
coating
absorbance max at 592 nm
∅core = 200 µm
absorbance [dBm-1]
2,50
PCF
Standard EFAS fiber
2,00
α solid fiber < 0,14 dBm-1
1,50
1,00
b) Microstructured PCF
0,50
∅core = 23.8 µm
d = 4 .. 6 µm
Λ = 6 µm
0,00
550
570
590
610
630
wavelength [nm]
650
670
Spectral absorbance of Eosin dye solution
measured in evanescent field of fibres
690
α PCF
= 2,53 dBm-1
Sensitivity : PCF as EFA Sensor → 20 times higher than for 200 µm silica fibre
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Optical Nanowire Sensing
V4-89
Potential of Nanowire Technology for Optical Chemo- and Biosensing
1. Sensitivity Enhancement of extrinsic
Optical Fibre Sensors:
• Increasing sensitive surface applying
disordered nanowires (densely grown
„matted“ structures)
• Resonant effects applying oriented
periodic nanowire structures on fibre
end-face (e.g., photonic crystals)
2. Realization of fibre nano-sensors with
tip diameters 10 .. 100 nm:
• Sensitised single nanowire as optical
waveguide (evanescent field sensing)
• Optical coupling to conventional fibres
Si nanowires
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
FBG Plasmon Biosensing
Using Metallic Nanoparticles
DNA marked
Au Nano-beads, ∅ 30 nm
DNA receptors
Sensor FBG, period Λ
Example: Fibre optic evanescent field DNA detection
→ Bragg wavelength shift ΔλB due to localised surface plasmon
resonance (SPR) of adsorbed DNA-marked Au nano-beads
→ high sensitivity, multiplexing capability, intrinsic temperature control
V4-90
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Outlook
V4-91
Fibre optics + sub-wavelength nano-structures :
→ micro-nano integration + coupling to macro-world
→ photonic sensing in molecular dimensions with
ultra-high sensitivity, spatial & temporal resolution
Intracellular fibre taper nano-biosensor
(schematically)
SiO2 nanowire on human hair
(L.Tong/E.Mazur, Zhejiang/Harvard Univ.)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Optical Fibre Sensors: Applications,
Products and Market Growth
•
•
•
•
•
•
Industrial process control and automation
Aerospace and transportation
Biomedical and environmental monitoring
Electric power and chemical oil & gas off-shore industries
Civil and geo-technical engineering
Military and security applications

Products:
Position & displacement, gyroscopes, blood gas & pressure,
distributed temperature, strain & vibration, current & voltage,
organic pollution (BTEX), humidity, flow & level etc.

Market:
800 million US$ in 2008 (civil sector) / 2.5 million sensors,
growth rate 15% p.a. (up to 25% for strain and chemical sensors)
V4-92
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
World Fibre Optic Sensor Market
V4-93
Distribution by Product Type / Measurand (2000)
Pressure
9%
Flow
7%
Level
1%
Position/Displacement
33%
Chemical
14%
Gyroscope
14%
Source:
Frost&Sullivan
Temperature
22%
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Fibre Optic Sensor Market
Development 2002 - 2008
V4-94
Distributed and
Multiplexed
Sensor Systems
Single Sensors
Source: David A. Krohn, LightWaveVenture
SPIE Vol. 5589 pp. 34-43 (2004)
FACH
HOCH
SCHULE
JENA
Application Fields & Market Share Forecast
of Distributed Fibre Optic Sensors
Sources: Light Wave Venture LLC, USA
OIDA
cited in: Huff D.B., Lebby M.S., "Fiber Optic Sensing Technology:
Emerging Markets and Trends", Proc. of SPIE, Vol. 6619, p. 661902-1 (2007)
V4-95